Анализ взаимодействия контролируемого объекта с магнитным полем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Известно, что основными источниками возникновения повреждений в работающих конструкциях являются зоны концентрации напряжений (КН), в которых процессы коррозии, усталости и ползучести развиваются наиболее интенсивно. Процессами, предшествующими эксплуатационному повреждению, являются изменения свойств металла (коррозия, усталость, ползучесть) в зонах концентрации напряжений. Следовательно, определение зон КН является одной из важнейших задач диагностики оборудования и конструкций.

Для оценки технического состояния объектов и продления срока службы оборудования, необходимо его комплексное обследование различными методами контроля.

Магнитные методы используют для контроля размеров, нарушений сплошности, структуроскопии и определения фазового состава ферромагнитных материалов.

В настоящее время остаётся актуальной проблема контроля напряженно-деформированного состояния и оценки работоспособности элементов конструкций по магнитным диагностическим параметрам.

Большой интерес проявляется к косвенным магнитным методам контроля стальных конструкций, которые основаны на тесной корреляции магнитных и механических параметров металлов. Разработанные методы и технические средства измерения механических напряжений металла по магнитным диагностическим параметрам обладают рядом преимуществ, важных для ранней диагностики напряженно-деформированного состояния элементов конструкций трубопроводов (труб, тройников, сварных соединений и т.д.). В ряде случаев контроль напряженно-деформированного состояния элементов конструкций производится с применением технических средств для регистрации магнитных шумов, магнитной анизотропии металла, коэрцитивной силы и магнитной памяти металла.

1. История методов магнитного неразрушающего контроля

Ещё в XIX в. магнитные методы контроля впервые применили для оценки структурного состояния материалов и прочностных характеристик изделий - корпусов разрывных снарядов, ружейных затворов, ружейных и артиллерийских стволов. На Тульском Императорском военном и Златоустовском горно-металлургическом заводах для контроля использовали магнитную установку - электромагнитный баланс. Уже первые попытки введения такого контроля на Тульском заводе позволили выявить до 65% бракованных стволов ружей. В 1902 г. на съезде металлургов Урала обсуждался опыт положительного применения магнитного метода для контроля структуры и свойств металла.

В 1927 г. изобретатель Ф.М. Карпов разработал дефектоскоп-электромагнит для контроля осей и колёсных пар вагонов.

В 1930-х годах Н.С. Акулов, Р.И. Янус, М.Н. Михеев начали формировать новое научное направление - магнитный структурно-фазовый анализ сталей и сплавов.

В 1937 г. в Москве прошла первая конференция по магнитному структурному анализу. В 1931 - 1934 гг. Н.С. Акулов создал приборы для контроля структуры и фазового состава сталей. В те же годы начали применять в качестве параметра контроля структурного состояния коэрцитивную силу. М.Н. Михеев создал универсальный переносной коэрцитиметр для локального контроля структуры и твёрдости проката и изделий машиностроения, который в различных модификациях используется до настоящего времени.

В 1932 г. Р.И. Янус разработал магнитный метод контроля электротехнической стали, что позволило перейти от выборочного контроля к сплошному контролю магнитных характеристик этой стали.

В 1936 г. на основе работ Ф.М. Карпова была изготовлена и введена в эксплуатацию дефектоскопическая станция, которую устанавливали на специальных вагонах и дрезинах. В качестве намагничивающего устройства использовали магнит, перемещающийся над рельсом. Магниточувствительным элементом служило электромеханическое устройство, реализующее пондеромоторный метод. Усовершенствовал пондеромоторный метод контроля рельсов Р.И. Янус. Одновременно П.А. Халилеев разработал индукционные чувствительные элементы, которые позволили увеличить скорость станций (вагонов-дефектоскопов) до 60 км/ч.

В.К. Аркадьев опубликовал основополагающую статью «О развитии теоретических основ магнитной дефектоскопии» (Изв. АН СССР. 1937. №2), где он впервые показал, что действие дефекта эквивалентно действию диполя, имеющего момент, аналогичный моменту дефекта, и расположенного в центре него, а также сформулировал основные задачи магнитной дефектоскопии.

В 1938 г. С.В. Вонсовский изложил теоретические основы магнитной дефектоскопии в статье «Простейшие расчёты теоретических основ магнитной дефектоскопии».

В 1939 г., после серии предварительных исследований и натурных опытов, были внедрены индукционные дефектоскопические тележки для контроля рельсов, уложенных в пути (А.Б. Сапожников, Н.В. Мирошин, Б.П. Кашкин, П.Н. Большаков, Н.М. Шилов; коллектив мастерских Сибирского физико-технического института).

С 1941 г. на всех железнодорожных путях Советского Союза начали успешно применять дефектоскопические тележки с постоянным магнитным полем, позволяющие обнаруживать скрытые трещины в рельсах (ЦНИИ. А.Н. Матвеев, И.М. Лысенко).

Первая монография по магнитной дефектоскопии была написана Р.И. Янусом и вышла в 1946 г. Она обобщила многолетний опыт российских исследователей и самого автора в области магнитных методов контроля нарушений сплошности и структуроскопии. Р.И. Янус установил, что дефект аналогичен магниту, эффективная длина которого в слабом поле может значительно превышать истинную длину дефекта вдоль поля, а поперечное сечение несколько сжато.

Р.И. Янус пришёл к важному выводу о том, что выявляемость внутренних дефектов сильно зависит от напряжённости приложенного поля. По мере приближения его к насыщению напряжённость поля дефекта повышается с нарастающей крутизной.

Этот учёный был крупнейшим и наиболее авторитетным специалистом по магнитным методам производственного контроля. В его монографии «Магнитная дефектоскопия» приведено полное научное описание теории и практики магнитной дефектоскопии; дано научное обобщение наиболее важных и общих вопросов физики магнитных измерений в применении к проблемам дефектоскопии; указано, какие магнитные характеристики и в каких случаях следует использовать при дефектоскопии, какие методы измерений магнитных характеристик наиболее целесообразно применять; изложены основные принципы построения дефектоскопов различных типов.

В 1952 г. П.А. Халилеев и В.В. Власов создали индукционные искатели с возможностью записи снимаемых с них сигналов на киноленту. Эти приборы широко применяли в вагонах-дефектоскопах для контроля рельсов.

В 1952 г. К.С. Маховер и К.В. Усенко во Всесоюзном научно-исследовательском институте строительства магистральных трубопроводов (ВНИИСТ) разработали магнитографический метод. Исследованием и совершенствованием этого метода контроля занимались в МВТУ им. Баумана, АН БССР, Шосткинском филиале НИКФИ, СКБ «Газприборавтоматика», на предприятии «Ростовэнергоремонт», в Белорусском политехническом институте, Институте физики металла УрО РАН, на Калининградском экспериментальном заводе. Именно в СССР он получил путёвку в жизнь благодаря работам А.С. Фальксвича и М.Х. Хусанова. В дальнейшем исследования в области оптимизации метода продолжили В.С. Козлов, Ю.Б. Фещенко, А.М. Шарова, Ю.Ш. Голант, А.Е. Новиков, В.Е. Щербинин, М.Л. Шур, С.П. Михайлов, Л.А. Кашуба, О.А. Жолнерович.

Метод совершенствовали в направлении развития намагничивающих устройств, дефектоскопов и лент в рамках классического метода, в направлении изменения самих контрольных операций в целях расширения области использования метода, а также методов записи информации.

Первый шаг в выявляемости и локальных дефектов был сделан в 1970 г. Л.А. Кашубой и В.В. Костиным, которые экспериментально установили, что обусловленное дефектом поле принимает параметры, соответствующие протяжённому дефекту.

Большой вклад в их совершенствование внесли сотрудники Томского государственного университета (ТГУ) и Сибирского физико-технического института (СФТИ): В.Н. Кессених, Н.М. Шилов, Б.П. Кашкин, П.Н. Большаков, В.И. Иванников, В.Ф. Ивлев. Их работы продолжили Н.В. Мирошин, В.С. Семенов, А.С. Кузнецов. Активным участником в работах по теории электромагнитных методов контроля был Г.А. Бюлер (кафедра математической физики ТГУ).

Развивая идеи Р.И. Януса и А.Б. Сапожникова, Р.Е. Ершов решил задачу об определении возмущения поля ферромагнитной среды, производимого дефектом типа поперечной трещины, при нелинейности магнитных свойств ферромагнитной среды в области средних и сильных магнитных полей.

Н.Н. Зацепин и В.Е. Щербинин детально рассмотрели особенности составляющих магнитного поля различных поверхностных дефектов. В 1960 г. Н.Н. Зацепин и В.Е. Щербинин разработали феррозондовый метод контроля сварных швов, теоретические основы феррозондовой толщинометрии, метод расчёта поля дефекта в трёхмерном пространстве.

В 1965 - 1970 гг. Н.С. Акулов, В.С. Козлов, А.М. Шарова, А.Е. Новиков, М.Г. Хусанов, Е.А. Бутузов, В.М. Карпов, Л.А. Кашуба решили кардинальные проблемы теории и практики магнитографического контроля. Сотрудниками НИИ интроскопии были созданы и внедрены на Первоуральском Новотрубном заводе, Магнитогорском металлургическом комбинате, Ждановском металлургическом заводе для поточного производства горячекатаных труб и холоднокатаных листов дефектоскопические автоматические установки ДФ-1, У ПН-3, "Лист-4", УРКТ и др. (П.К. Ощепков, В.В. Клюев, Л.А. Хватов, Е.Я. Симонова, О.С. Семенов, Ю.С. Калинин, В.П. Курозаев и др.)

В 1970 - 1988 гг. в НИИ интроскопии (МНПО «Спектр») разработали и серийно выпускали магнитные толщиномеры (МИП-10, МТ-50Н), магнитные дефектоскопы резьбовых соединений (МД-ЗМ, МД-40К, МД-42К), магнитометры (МФ-32 КЦ), ферритометры и т.п. (В.В. Клюев, А.П. Дегтерев. В.Ф. Мужицкий, В.П. Курозаев, В.П. Есилевский, А.Г. Пеликан и др.). В результате консультаций и изучения процессов контроля в 1980-е годы была переработана технологическая документация по дефектоскопии и значительно повышена эффективность контроля в организациях ракетокосмической отрасли, в том числе в НИИ им. С.П. Королева, НПО «Энергия», Теплотехническом институте им. Ф.Э. Дзержинского, НПО «Электроугли», НПО «ТЕХНОМАШ». На базе НИИЭРАТ прошли переобучение многие специалисты из этих организаций.

В АН СССР Н.С. Акуловым, Р.И. Янусом и М.Н. Михеевым были заложены основы практического использования магнитных методов контроля качества термической и химико-термической обработки изделий, текстурного анализа сталей. Начатые ими работы продолжают успешно развиваться.

В 1972 г. НИИИН разработал феррозондовый ферритометр МФ-10Ф. Особенностью этого прибора является возможность измерения содержания ферритной фазы в толще металла до 12 мм, в то время как для локальных ферритометров этот слой ограничивался 1...2 мм. В том же году НИИИН создал автоматизированный ферритометр ФМ-1, решив задачу контроля сварных швов труб на трубоэлектросварочных стендах аргонодуговой сварки. В основу способа положено бесконтактное измерение относительного значения магнитной проницаемости металла шва с помощью микроферрозондового преобразователя, перемещающегося относительно изделия.

В 1990-е годы в ЦНИИТМАШ для градуирования ферритометров всех типов разработали технологию изготовления стандартных образцов ферритной фазы способом цен гробежного литья. Образцы прошли международные испытания и рекомендованы к использованию Международным институтом сварки.

В начале 1990-х годов ВНИИХИММАШ была создана новая модель локального ферритометра АФ-4 в портативном исполнении (масса не более 400 г). Информация о содержании ферритной фазы представляется в цифровом виде и автоматически переводится на экране прибора в процентное содержание, в отличие от используемых ранее градуировочных кривых, а также в ферритное число в соответствии со стандартом ИСО 8549.

В 1976 г. по решению Государственного комитета по науке и технике СССР были начаты работы над созданием внутритрубного снаряда-дефектоскопа для контроля коррозионного состояния магистральных газопроводов с диаметром труб 1420 мм. К работе над аппаратом были привлечены Министерство приборостроения, Министерство газовой промышленности и АН СССР.

С 1990 г. в МНПО «Спектр» и ЗАО НИИИН МНПО «Спектр» разработаны и серийно выпускаются следующие магнитные приборы: дефектоскоп резьб МД43К, магнитометр МФ23ИМ, устройства намагничивающие УНМ-300/2000,УН-5, толщиномерыМТ-51НП, МТП-01, МИТ-1, МИТ-1/2, коэрцитиметр МФ32КЦ.ўЩ

2. Первичные преобразователи магнитных полей

Под первичным преобразователем магнитного поля понимается устройство, служащее для преобразования параметров магнитного поля в электрический сигнал. В первичных преобразователях, как правило, происходит изменение физической природы сигнала. Если входным сигналом служит сама физическая величина, подвергаемая преобразованию, то выходным - уже другая физическая величина, функционально связанная с первой.

Унифицированным выходным сигналом первичного преобразователя является электрический сигнал, в котором могут быть использованы различные параметры: амплитуда, частота, фаза и т.д. В преобразователях возможно также использование операций модуляции и демодуляции.

В магнитной диагностике наиболее перспективно применение первичных преобразователей магнитного поля, классификация которых приведена на рис. 1. Все преобразователи подразделяются на индукционные, феррозондовые, гальвано-магнитные и сверхпроводниковые.

Рис. 1 - Классификация преобразователей магнитного поля

Индукционные преобразователи являются преобразователями пассивного типа. В них в качестве чувствительного элемента используется катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником или без него. При этом выходным сигналом является ЭДС движения, наводимая в катушке и пропорциональная скорости изменения магнитного поля, пронизывающего катушку.

Феррозондовые преобразователи являются преобразователями активного типа и содержат ферромагнитные сердечники стержневого или кольцевого типа. Выходная ЭДС в них возникает за счёт изменения во времени магнитных параметров сердечников при одновременном воздействии на них регистрируемого магнитного поля и переменного поля возбуждения. При этом регистрируемое магнитное поле осуществляет модуляцию какого-либо магнитного параметра сердечников. Феррозондовые преобразователи подразделяются на трансформаторные и однообмоточные.

Отдельную группу составляют гаяъ-ваномагнитные преобразователи магнитного поля, в которых изменение внутренних параметров при воздействии внешних магнитных полей осуществляется за счёт искривления траектории движения носителей заряда, изменения их концентрации и т.д. К ним относятся преобразователи Холла, магниторезистивные, гальваномагнито-рекомбинационные, магнитодиодные, магнитотриодные, а также преобразователи на z-элементах, имеющие значительные перспективы практического использования.

Это объясняется тем, что подобные преобразователи микроскопических размеров можно изготовлять автоматизированным путем по интегральной технологии, что имеет большое значение при изготовлении многоэлементных матричных преобразователей для визуализации магнитных полей.

В магнитной диагностике возможно также применение преобразователей на магнитоуправляемых контактах, использующих силы притяжения магнитопроводов под воздействием магнитного поля, которые выполняют одновременно и функции электрических контактов.

Основными характеристиками преобразователей, использующихся в магнитных интроскопах, являются чувствительность, разрешающая способность и динамический диапазон. Под чувствительностью преобразователя понимаетсявозможность преобразования им регистрируемого магнитного поля в форму, удобную для дальнейшего использования. Численной мерой чувствительности является коэффициент преобразования, характеризуемый отношением значения сигнала на выходе преобразователя к его значению на входе. В качестве входных сигналов преобразователя могут быть использованы магнитный поток, магнитная индукция, напряжённость магнитного поля и др.

Разрешающая способность преобразователей магнитного поля, применяемых в магнитной диагностике, характеризует их способность создавать электрические сигналы от магнитных полей рассеяния с малыми геометрическими размерами, соответствующих микроскопическим дефектам. Указанный параметр определяется геометрическими размерами самого преобразователя, которые, например, для преобразователей Холла могут достигать 10x10 мкм.

Динамический диапазон магнитных полей, в котором преобразователь должен устойчиво работать, составляет в магнитной диагностике трубопроводов примерно 1...200 А/см. При этом на преобразователь воздействуют как поля рассеяния от дефектов, так и поля подмагничивания от намагничивающих устройств.

2.1 Индукционные преобразователи магнитных полей

2.1.1 Пассивные индукционные преобразователи

Конструктивно индукционные преобразователи магнитного поля представляют собой катушки соответствующих размеров и подходящей конфигурации, с сердечниками или без них, движущиеся с достаточной скоростью вблизи поверхности труб. К числу их преимуществ относится возможность изготовления и использования преобразователей с очень большой шириной полосы, контролируемой одним преобразователем (рис. 2), использующихся в магнитной диагностике труб и листов. Катушка преобразователя в этом случае должна располагаться как можно ближе к поверхности трубы и иметь небольшую толщину. Чувствительность пассивного преобразователя выбирают исходя из заданного рабочего диапазона измерительного устройства и шумов усилительного каскада, с которым непосредственно согласуется преобразователь.

Рис. 2 - Пассивный индукционный преобразователь

Эффективные способы повышения чувствительности - увеличение числа витков катушки преобразователя и использование сердечников из высокопроницаемых материалов (феррита, пермаллоя и т.д.). Однако при этом необходимо учитывать, что увеличение числа витков вызывает повышение выходного индуктивного сопротивления; применение сердечников с высокой проницаемостью приводит к непостоянству чувствительности преобразователя и её зависимости от воздействия постоянных магнитных полей. Улучшить параметры пассивных индукционных преобразователей можно при изготовлении их печатным способом, методом фотографирования или вакуумного напыления. Получение необходимого числа витков достигается и в многослойных структурах, технология которых достаточно хорошо разработана, а процесс изготовления может быть автоматизирован.

2.1.2 Maгнитоиндукционные преобразователи

Использование магнитомягких материалов в значительной мере определяет важнейшие технико-экономические характеристики соответствующих устройств магнитной диагностики. Ещё сравнительно недавно в приборостроении в основном применялись магнитомягкие материалы следующих грех классов:

- электротехнические стали, представляющие собой сплавы железа и кремния и отличающиеся высокой индукцией насыщения;

- железоникелевые сплавы (пермаллои) с большой магнитной проницаемостью и/или прямоугольной петлёй гистерезиса;

- магнитные диэлектрики (ферриты), которым присущи малые потери на высоких частотах.

Для магнитных преобразователей находят применение аморфные магнитные сплавы, которые обычно получают путём разлива жидкого металла через сопло в непрерывный вращающийся поток воды, обеспечивающей требуемую скорость охлаждения. Ленты из аморфных магнитных сплавов ещё меньшей толщины или из проволок малого диаметра часто получают холодной вальцовкой или протяжкой, после чего обычно требуется отжиг для снятия механических напряжений. Он должен проводиться при температурах меньше температуры рекристаллизации. Для проволок отжиг может выполняться пропусканием через неё соответствующего тока. Ленты (в частности, для изготовления витых сердечников) после полива часто используют без последующего отжига.

К преимуществам аморфных магнитных сплавов относятся их изотропность, технологичность, механическая прочность, износостойкость, а также возможность изменения в широких пределах магнитных, электрических и механических свойств преобразователей магнитного поля путём соответствующего подбора их химического состава и/или последующей термической, термомагнитной или термомеханической обработки.

Даже серийно выпускаемые аморфные магнитные сплавы массового назначения, в том числе и отечественные, по многим параметрам лучше традиционных магнитомягких материалов.ўЫ

2.2 Гальваномагнитные преобразователи

2.2.1 Гальваномагнитные преобразователи, основанные на эффекте Холла и эффекте Гаусса

Наиболее широкое применение получили полупроводниковые гальваномагнитные преобразователи, основанные на эффекте Холла и эффекте Гаусса. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины.

К недостаткам данных преобразователей следует отнести низкую температурную стабильность и большую погрешность вблизи нулевых полей, вызванную наличием градиента температур между его электродами (эффект Пельтье); низкую механическую прочность; погрешность от собственного магнитного поля, создаваемого током (особенно, если вблизи есть ферромагнитные изделия); появляющуюся в неоднородных полях большую величину погрешности от планарного эффекта Холла.

Широкое распространение при измерении слабых магнитных полей получили магнитопленочные преобразователи Холла, выполненные на основе пермаллоевой плёнки. Напряжение выходного сигнала

Плёночные преобразователи обладают большей чувствительностью, чем кристаллические. Быстрое распространение преобразователей Холла обусловливается их многочисленными преимуществами, важнейшие из которых следующие:

преобразователь Холла является статическим элементом, что даёт ему преимущество перед индукционным, измеряющим магнитное поля только в момент перемещения; малые размеры (10 х 10 мкм) и большая надёжность в работе.

Другой тип полупроводникового гальваномагнитного преобразователя основан на изменении электрического сопротивления под действием магнитного поля (эффект Гаусса). Увеличение электрического сопротивления под действием магнитного поля происходит как в случае, когда вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно к направлению протекания тока в полупроводниковой пластине (поперечный эффект магнитосопротивления), так и в случае, когда вектор магнитной индукции параллелен направлению тока (продольный эффект магнитосопротивления). Однако изменение сопротивления при продольном эффекте незначительно. Физически магниторезистивный эффект обусловлен искривлением траектории носителей заряда (электронов проводимости и дырок) в магнитном поле под действием силы Лоренца относительно направления возбуждающего электрического поля.

2.2.2 Гальваномагнито-рекомбинационные преобразователи

Более чувствительными преобразователями являются гальваномагнито-рекомбинационные (ГМР). Их действие основано на магнитоконцентрационном эффекте в собственном полупроводнике, особенность которого состоит в том, что концентрация электронов равна концентрации дырок. В условиях термодинамического равновесия в полупроводнике наряду с генерацией пар электрон-дырка происходит и противоположный процесс - рекомбинация носителей тока. Эти процессы происходят непрерывно, и для каждого значения температуры устанавливается соответствующая равновесная концентрация электронов. В отличие от магниторезистивного элемента ГМР-преобразователь обладает чувствительностью к знаку магнитного поля. Чувствительность таких преобразователей на два порядка превосходит чувствительность элементов Холла и составляет 80 В/Тл (10 мВ•см/А). Подбором нагрузочного резистора, включённого последовательно с преобразователем, можно добиться очень малого температурного коэффициента в рабочем диапазоне температур от -20 до +40°С. Рабочий диапазон температур, в котором допустима эксплуатация ГМР-преобразователей, составляет -60... +100°С. Наименьшие размеры преобразователя - 2х0,5 мм. Преобразователи с наибольшей чувствительностью имеют длину порядка 10 мм. К их недостаткам следует отнести достаточно крупные размеры, большую инерционность.

Чаще всего для изготовления ГМР-преобразователей используют германий, обладающий достаточно высокой подвижностью носителей заряда и длиной диффузионного смещения около 1 мм.

2.2.3 Полупроводниковые преобразователи на основе магнитодиодного эффекта

Высокой чувствительностью обладают полупроводниковые преобразователи на основе магнитодиодного эффекта. Магнитодиодным эффектом принято называть изменение электрического сопротивления полупроводникового диода с длинной базой, включенного в прямом направлении в результате воздействия на диод поперечного магнитного поля. Для достижения высокой чувствительности магнитотранзисторы изготовляются с двумя коллекторами (рис. 3).



Рис. 3 - Схематическое изображение двухколлекторного магнитотранзистора и его схема включения: 1, 2 - первый и второй коллекторы; 3 - эмиттер; 4 - база

При включении магнитотранзистора по схеме с общим эмиттером и нагрузочными резисторами в цепях коллекторов (мостовая схема) в отсутствие магнитного поля инжектированные эмиттером носители заряда (дырки) примерно поровну распределяются между коллекторами. В поперечном магнитном поле происходит перераспределение инжектированных носителей заряда между коллекторами, при этом ток коллектора К2 увеличивается, а ток коллектора К1 уменьшается, что вызывает разбаланс моста. Магнитное поле, наряду с эффектом перераспределения носителей между коллекторами, уменьшает эффективную толщину базы, если ток коллектора К2 увеличивается, и соответственно увеличивает толщину базы для коллектора KL При изменении направления магнитного поля изменяется знак напряжения между коллекторами. Изменение эффективнойтолщины базы дополнительно увеличивает ток коллектора К2, а также уменьшает ток коллектора К1. Это приводит к дополнительному росту магниточувствительности. Для транзистора, изготовленного из германия, размерами 1х1х4 мм чувствительность составляла (при силе токе эмиттера 1 мА) 200... 400 В/Тл (25 мВ•см/А).

В настоящее время кремниевые двух-коллекторные магниторезисторы с горизонтальными коллекторами имеют магниточувствительность в 10 раз выше, чем преобразователи Холла. За счёт использования более короткой базы их предельная частота достаточно велика (до 100 МГц), большая концентрация легирующей примеси обеспечивает и высокую термостабильность (0,03%/°С). Чувствительность экспериментальных отечественных кремниевых двухколлекторных магнитотранзисторов с вертикальными коллекторами на один-два порядка выше, чем чувствительность двухколлекторного магнитотранзистора с горизонтальными коллекторами.

Одним из методов повышения магниточувствительности может быть увеличение напряженности электрического поля в базе двухколлекторного магнитотранзистора. Однако простым увеличением тока эмиттера этого не достигается, поскольку с ростом тока эмиттера увеличивается концентрация носителей заряда вблизи него, и напряжённость электрического поля в этой области увеличивается слабо. Напряжённость электрического поля в базе удобнее регулировать с помощью расположенного вблизи эмиттера дополнительного омического контакта. Для этого используется планарная структура двухколлекторного магнитотранзистора.ўЬ

2.2.4 Магнитодиоды

В настоящее время применяют две конструкции магнитодиодов: торцевая и планарная. При массовом производстве торцевых магнитодиодов трудно осуществить обработку поверхности только одной боковой грани, поэтому все грани обрабатывают одинаково. Сопротивление таких магнитодиодов при обоих направлениях магнитного поля растёт одинаково. В планарной конструкции магнитодиодов целесообразно увеличивать скорость рекомбинации носителей заряда на стороне пластины, противоположной от контактов. В этом случае при полярности магнитного поля инжектированные носители отклоняются к верхней грани пластины, сокращается их траектория движения и увеличивается время жизни.

Оба эти эффекта приводят к уменьшению сопротивления магнитодиода. При направлении магнитного поля сопротивление увеличивается. Это позволяет использовать магнитодиод для определения направления магнитного поля. Если же область с высокой скоростью рекомбинации расположена на верхней стороне пластины, то эффекты изменения длины траектории и времени жизни будут частично компенсировать друг друга и магниточувствительность значительно уменьшится.

2.2.5 Магнитотранзисторы

Однопереходный транзистор состоит из стержня полупроводника с омическими контактами на концах и n-p-n-переходом между ними. Любой однопереходной транзистор можно использовать в качестве магниточувствительного прибора.

Под действием электрического поля в базе, создаваемого напряжением, инжектированные дырки уносятся в нижнюю часть базы, вследствие чего её сопротивление ещё больше уменьшается. Снижение сопротивления нижней части базы приводит к дальнейшему уменьшению напряжения и увеличению напряжения на переходе, в результате чего инжекция носителей и ток через р-я-переход продолжают расти. Такой самоускоряющийся процесс приводит к лавинному нарастанию тока через р-n-переход и уменьшению падения напряжения на последовательно включённых сопротивлениях n-p-n-перехода и нижней части базы, причём нагрузочный резистор во входной цепи должен быть больше входного сопротивления однопереходного транзистора. Входная характеристика однопереходного транзистора относится к s-типу. Её существенным отличием от аналогичных характеристик других приборов, например s-диода, является то, что включение эмиттера происходит при практически нулевых токах эмиттера.

3. Магнитные толщиномеры

Магнитные толщиномеры предназначены для контроля толщины немагнитных покрытий на ферромагнитном основании. В отличие от вихретоковых они позволяют, как правило, одним прибором измерять в равной степени толщину и диэлектрических, и электропроводящих покрытий. По принципу действия все магнитные толщиномеры можно разделить на три группы:

1) толщиномеры пондеромоторного действия;

2) индукционные;

3) магнитостатические.

Пондеромоторный метод основан на регистрации силы отрыва постоянного магнита или сердечника электромагнита от поверхности изделия и на оценке толщины контролируемого покрытия по значению этой силы. В первом случае сила определяется при помощи пружинных динамометров, во втором - по изменению тока намагничивания.

Указанный метод положен в основу ряда известных переносных и стационарных толщиномеров, разработанных в нашей стране и за рубежом. Часть этих приборов, особенно стационарного типа, уже потеряла практический интерес, так как в последние годы были разработаны более совершенные устройства.

Из первой группы приборов, сохранивших своё значение и в настоящее время, следует отметить миниатюрные толщиномеры, которые работают по методу прямого отрыва и конструктивно оформлены в виде карандаша. Приборы карандашного типа состоят из небольшого калиброванного магнита с наконечником в форме полусферы. Наконечник соединён с пружиной, расположенной внутри корпуса. С её помощью измеряется сила, необходимая для отрыва магнита от поверхности контролируемого изделия. Техника измерений заключается в следующем.

Магнит приводят в соприкосновение с покрытием и вращением подвижной части корпуса прибора растягивают пружину до тех пор, пока упругая сила не станет равна силе притяжения магнита изделием. Для определения толщины покрытия показания, соответствующие длине растяжения пружины, переводят в микрометры с помощью номограмм, прилагаемых к каждому прибору. Приборы карандашного типа обеспечивают возможность контроля покрытий с толщиной до 1000 мкм. К существенным недостаткам этих приборов следует отнести субъективную оценку момента отрыва магнита и влияние ориентации толщиномера при контроле. Отклонение его от вертикального положения вносит дополнительную ошибку, так как в этом случае направления веса магнита и силы отрыва не совпадают.

Рис. 4 - Схема контроля толщины покрытий магнитным толщиномером рычажного типа

Среди других типов толщиномеров с постоянным магнитом практический интерес представляют малогабаритные толщиномеры рычажного типа, конструкция которых обеспечивает компенсацию веса магнита в любом положении (рис. 4). Постоянный магнит с полусферическим наконечником 1 закреплён на одном из плеч коромысла 2, на другом плече которого установлен противовес 7. Устройство смонтировано в корпусе 9, имеющем вид молотка. Прибор снабжён кнопкой 8, которая выступает из корпуса, если магнит 1 отрывается от поверхности контролируемого изделия 10. Спиральная пружина 3 соединяет ось вращения системы 4 через палец 5 со шкалой 6. Палец, упруго связанный со шкалой, можно поворачивать снаружи с помощью корректора, что позволяет регулировать натяжение спиральной пружины и таким образом устанавливать нуль на шкале прибора. При вращении шкалы пружина натягивается и отрывает магнит от поверхности изделия. Толщина покрытия отсчитывается по видимой части шкалы, проградуированной в микрометрах. Нажатием на кнопку можно вновь осуществить контакт наконечника магнита с изделием и тем самым повторить измерение. Приборы рычажного типа позволяют осуществлять контроль различных немагнитных покрытий, нанесённых на ферромагнитную основу, с толщиной до 10 мм. По сравнению с толщиномерами карандашного типа они обеспечивают более высокую точность измерений, особенно при контроле покрытий на изделиях с плоской поверхностью. Применение этих приборов для измерения толщины покрытий на изделиях сложной формы затруднено.

К общим недостаткам всех магнитноотрывных толщиномеров с постоянным магнитом следует, прежде всего, отнести изнашивание наконечика магнита, которое влияет на градуирование прибора, и загрязнение магнита различными веществами или ферромагнитными опилками. Кроме того, серьёзным недостатком является эффект механического прилипания магнита к поверхности, а при контроле мягких покрытий, например лакокрасочных, проникновение магнита в покрытие. Необходимо также отметить, что используемые в приборах пружины в процессе эксплуатации изменяют упругие характеристики. Перечисленные факторы могут привести к дополнительным погрешностям измерений, значительно превосходящим значение основной погрешности, предусмотренной техническими условиями на прибор. Это требует тщательной подготовки таких толщиномеров к работе и, при необходимости, своевременного ввода соответствующих поправок.

Рассматриваемые приборы предназначены для измерения толщины немагнитных покрытий в диапазоне 0...120 мкм и никелевых - 0... 100 мкм на деталях различных формы и размеров, в том числе и на деталях сложной конфигурации. Применение в толщиномерах МТ-ДАЗ преобразователя с игольчатым сердечником уменьшает влияние свойств материала деталей на результаты измерений, а конусная намотка катушки электромагнита позволяет в значительной степени «спрямить» шкалу прибора в диапазоне 0...30 мкм и повысить точность измерений.

Подавляющая часть других, разработанных ранее толщиномеров с электромагнитами предназначена главным образом для лабораторных измерений толщин в диапазоне 0... 200 мкм. По сравнению с приборами, снабженными постоянными магнитами, они обеспечивают несколько большую точность измерений и возможность контроля покрытий на деталях с меньшими размерами и большей кривизной поверхности. Однако они уступают приборам первой группы по диапазону измеряемых толщин, простоте конструкции и удобству эксплуатации.

Широкое распространение получили индукционные толщиномеры, у которых практически все недостатки толщиномеров пондеромоторного действия отсутствуют. Принцип их действия основан на измерении изменений магнитного сопротивления цепи, состоящей из ферромагнитной основы изделия, измерительного преобразователя и немагнитного зазора между ними, соответствующего толщине покрытия.

Индукционный измерительный преобразователь запитывается синусоидальным током. Частота тока, как правило, не превышает 200 Гц. Обобщенная структурная схема толщиномера показана на рис. 5.



Рис. 5 - Структурная схема индукционного толщиномера

Автогенератор 1 питает синусоидальным током измерительный преобразователь 2, сигнал которого поступает на вход усилителя 4. Для компенсации начального напряжения измерительного преобразователя 2 используется компенсатор 5, запитываемый, как и преобразователь, от автогенератора. Выходное напряжение компенсатора 3 суммируется с напряжением измерительного преобразователя 2 на входе усилителя 4. Выходное напряжение усилителя с помощью детектора 5 преобразуется в постоянное напряжение, которое поступает в блок обработки сигнала 6, где преобразуется в сигнал, пропорциональный толщине покрытия. Этот сигнал передаётся в блок индикации 7.

Измерительный преобразователь выполняют в виде одной или нескольких катушек, намотанных на удлиненном сердечнике из ферромагнитного материала. Для уменьшения влияния перекосов преобразователя наконечник сердечника выполняют в форме полусферы.

Для увеличения точности измерений в приборах типа МТ электромагнитное поле локализовано с помощью удлинённого ферромагнитного стержня и шарикового наконечника. Это позволяет измерять толщину в пятне контроля площадью около 1 мм². Краевой эффект проявляется на расстоянии от края детали 3...4 мм. Отклонение оси преобразователя от положения нормали к контролируемой поверхности в пределах 10° не приводит к увеличению погрешности измерений.

К третьей группе магнитных толщиномеров относятся магнитостатические толщиномеры. Принцип их действия основан на определении напряженности магнитного поля в зазоре между постоянным магнитом (или электромагнитом) и ферромагнитным материалом основы.

Схема действия магнитостатических толщиномеров с преобразователем Холла приведена на рис. 6.

В большинстве современных магнитных толщиномеров используется двухполюсная магнитная система с постоянными стержневыми и П-образными магнитами.

Рис. 6 - Схемы действия магнитостатических толщиномеров:а -с П-образным электромагнитом; б - со стержневым постоянным магнитом;1 - электромагнит; 2 - ферромагнитная деталь; 3 - немагнитное покрытие; 4 - преобразовательХолла; 5 - измерительный прибор;6 - постоянный магнит

Простейшими приборами такого типа являются толщиномеры, в которых сочетается применение П-образного магнита и механической магнитоуравновешенной системы, расположенной в межполюсном пространстве магнита.

Прибор состоит из П-образного постоянного магнита, имеющего перешеек (параллельную магнитную цепь). В зазоре перешейка смонтирована подвижная магнитная стрелка, жёстко связанная с уравновешивающей пружиной. При установке прибора на изделие магнитное сопротивление в межполюсном зазоре уменьшается, что вызывает перераспределение магнитного потока в основной и параллельной магнитных цепях. С изменением магнитного потока стрелка прибора поворачивается на угол, пропорциональный толщине измеряемого покрытия. Приборы этого типа получили достаточно широкое распространение. Однако их используют только для ориентировочной экспресс-оценки толщины покрытия, так как приприменении упругой механической системы в сочетании с небольшой по размерам шкалой невозможно получить необходимую точность отсчёта в широком диапазоне. Кроме того, при большом расстоянии между полюсами магнита нельзя использовать прибор для контроля малогабаритных деталей.

При всех преимуществах двухполюсных систем, используемых в магнитной толщинометрии покрытий, они имеют недостатки. Системы чувствительны к анизотропии свойств и к шероховатости ферромагнитного основания; кроме того, при их использовании необходимо обеспечивать одинаковый и надёжный контакт полюсов преобразователя с контролируемой поверхностью.

Применяют также однополюсные преобразователи со стержневыми магнитами. Для уменьшения потока рассеяния контактирующий с изделием полюс магнита выполняют в виде полусферы из магнитомягкого материала.

Распространённым способом получения информации о толщине покрытия является размещение магниточувствительных элементов либо в магнитной нейтрали, либо непосредственно у полюсов магнита с использованием дифференциального включения магниточувствительных элементов, что обеспечивает работу преобразователя в режиме нулевого начального сигнала.

При работе с магнитными толщиномерами необходимо учитывать многочисленные факторы, влияющие на результаты измерений: колебания магнитных свойств покрытия или основы, состояние поверхности, форму изделия и др. В значительной мере влияние этих факторов обусловлено размерами и формой магнита, топографией и напряжённостью магнитного поля. В связи с возросшими требованиями к точности и надёжности производственного контроля толщины покрытий резко возросли требования к их метрологическому обеспечению.

Для измерения толщины покрытий изоляции трубопроводов до 100 мм применяют приборы типа МТП-01 с однополюсными преобразователями на постоянных магнитах с использованием преобразователей Холла.

Специальная схема питания преобразователя Холла позволяет практически полностью исключить влияние изменений температуры на погрешность измерений. В результате прибор имеет относительную погрешность измерений не более 3% во всем диапазоне рабочих температур от -10 до +45 °С, что даже превосходит по точности индукционные толщиномеры, так как большинство из них имеют дополнительную погрешность измерений, обусловленную изменением температуры окружающей среды.

Наряду с тем, что магнитостатические толщиномеры имеют более простую схемную реализацию и более технологичный в исполнении измерительный преобразователь (отсутствует необходимость намотки катушек), это делает их развитие более перспективным по сравнению с индукционными толщиномерами.

Другим важным преимуществом магнитостатических толщиномеров является отсутствие переменного магнитного поля, создаваемого измерительным преобразователем и приводящего к потерям на вихревые токи при контроле электропроводящих немагнитных покрытий.

Обобщенная структурная схема магнитостатического толщиномера приведена на рис. 7.



Рис. 7 - Структурная схема магнитостатического толщиномера

Источник 1 тока питает магниточувствительный измерительный преобразователь 2. В качестве измерительного преобразователя 2 могут использоваться магниторезисторы, преобразователи Холла, феррозонды, рамки с током и другие магниточувствительные элементы. Напряжение с измерительного преобразователя 2 через усилитель постоянного тока 3 поступает в блок обработки сигнала 4, где оно преобразуется в сигнал толщины покрытия. Этот сигнал передается в блок индикации 5.

В ряде стран организовано централизованное производство стандартизованных контрольных образцов с разными сочетаниями материалов покрытия и основы. Такие образцы используют при градуировании и поверке магнитных толщиномеров в процессе их разработки и эксплуатации. Тем не менее, огромное число вновь разрабатываемых и применяемых материалов исключает возможность серийного выпуска всей гаммы образцов. Поэтому важнейшей задачей, стоящей перед разработчиками приборов магнитной толщинометрии, является создание безобразцового метода измерения толщины покрытий.

По сравнению с магнитными толщиномерами покрытий значительно меньшее распространение получили магнитные толщиномеры для измерения толщины изделий из ферромагнитных материалов. Это объясняется сложностью создания таких приборов с малой погрешностью, особенно при измерении больших толщин. Принцип работы магнитных индикаторов толщины типа МИТ-1 с постоянными магнитами основан на считывании изменения магнитных полей рассеяния, вызванного утонением металла. С помощью прибора обнаруживаются коррозионные язвы и места утонения металла, обусловленные коррозионным и эрозионным поражением. Основу составляют П-образный магнит и расположенный между полюсами преобразователь Холла. Основное назначение - контроль трубопроводов, емкостей из ферромагнитных сталей толщиной до 12 мм.

Для измерения толщины стенки ферромагнитных труб в поточном производстве создан магнитный микрометр. Измерения производят методом магнитного моста, два плеча которого составляют стандартная и контролируемая трубы, два других - сердечник электромагнита. Вперемычке моста в качестве измерительного элемента применён феррозонд. Прибор предназначен для измерения труб диаметром 30...102 мм с толщиной стенок 1,5...8 мм. Погрешность измерений составляет 3...4 % при скорости контроля до 2,5 м/с.

4. Феррозондовый метод дефектоскопии

При феррозондовом методе дефектоскопии в качестве преобразователей магнитного поля используются активные индукционные преобразователи, в которых рабочим элементом являются ферромагнитные сердечники - феррозонды (за рубежом их называют также Ферстер-зонды).

Феррозонды могут быть одноэлементными (ферроэлемент), двухэлементными и многоэлементными. Двухэлементные зонды здесь выделены в особую группу, так как они наиболее широко применяются именно для магнитной дефектоскопии. Простейший феррозонд (ферроэлемент) состоит из магнитомягкого сердечника в виде полосы или проволоки с нанесёнными на него возбуждающей и индикаторной обмотками. Если по обмотке возбуждения пропустить ток частотой то сердечник будет с такой же частотой перемагничиваться; при этом в индикаторной обмотке возникнет ЭДС.

Рис. 8 - Схема включения феррозонда-полимера

Принцип работы феррозондов рас смотрим на примере двухэлементной модификации, тем более что именно двухэлементные зонды получили наибольшее распространение и могут использоваться как измерители поля (полимеры) и как разностные полимеры, измеряющие разность полей в двух областях (участках) пространства, где расположены ферроэлементы. Если в этом случае ферроэлементы расположены близко друг к другу, то считается, что они измеряют градиент поля, и такие зонды называют градиентометрами.

Пусть имеются два совершенно идентичных ферроэлемента, включённых по схеме на рис. 8. В каждый заданный момент времени поле возбуждения в ферроэлементах направлено встречно, и в индикаторных обмотках, поскольку они включены последовательно, будет наводиться ЭДС.

Заключение

магнитный преобразователь дефектокопия

Магнитные методы неразрушающего контроля предполагают анализ взаимодействия контролируемого объекта с магнитным полем. Их используют чаще всего для обнаружения внутренних и поверхностных дефектов объектов, выполненных из ферромагнитных материалов. Основные магнитные методы неразрушающего контроля - магнитопорошковый, феррозондовый, индукционный и магнитографический метод. Самый распространенный из способов неразрушающего контроля - магнитопорошковый. Он основывается на явлении неоднородности магнитного поля над местом дефекта.

Магнитно-порошковый метод широко применяется на заводах промышленности, ремонтных предприятиях. Он дает возможность выявить поверхностные трещины, микротрещины, волосовины, флокены и другие дефекты.

Остальные методы имеют схожий принцип, только вместо магнитного порошка в разных случаях для создания и регистрации магнитного поля используется катушка индуктивности (индукционный метод), магнитная лента и датчик с магнитной головкой (магнитографический метод), феррозондовый датчик, который регистрирует поля рассеивания (феррозондовый метод). Магнитографический метод чаще всего используют для контроля сварных соединений. Он даёт возможность выявлять трещины, непровары, шлаковые и газовые включения и другие дефекты в сварных швах. Феррозондовый метод используется для обнаружения тех же дефектов, что и магнитопорошковый метод. Он позволяет также определять дефекты на глубине до 20 мм, с его помощью измеряют толщину листов и стенки сосудов, при наличии двухстороннего доступа.

Список литературы

1. Абакумов А.А. Магнитная диагностика газонефтепроводов / А.А Абакумов, А.А. Абакумов (мл.). - М.: Энергоатомиздат, 2010.

2. Афанасьев Ю.В. Средства измерений параметров магнитного поля / Ю.В. Афанасьев, Н.В. Студенцев, В.Н. Хорев, Е.Н. Чечурина, А.П. Щелкин. - Л.: Энергия. Ленингр. отделение, 1979.

3. Клюев В. В. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. Т.6 Магнитные методы контроля / В. В. Клюев, Г. С. Шелихов. ? М.: Машиностроение, 2006.

4. Матюк В.Ф. Контроль структуры, механических свойств и напряженного состояния ферромагнитных изделий методом коэрцитиметрии / В.Ф. Матюк, В.Н. Кулагин // Неразрушающий контроль и диагностика. - 2010. - №3. - С.1 - 14.

5. Национальный стандарт РФ: ГОСТ Р 53966-2010; введ. 2010-11-25. - М.: Стандартинформ; М.: Изд-во стандартов, 2010.

6. Национальный стандарт РФ: ГОСТ Р ИСО 24497-1-2009. - Взамен ГОСТ Р 52081 - 2003; введ. 2009-12-07. - М.: Стандартинформ; М.: Изд-во стандартов, 2010.

7. Раннев Г.Г. Методы и средства измерений / Е.Г. Раннев, А.П. Тарасенко. - 3-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2006.

8. Шрамков Е.Г. Средства и методы измерений (общий курс) / Е.Г. Шрамков, К.П. Дьяченко, Д.И. Зорин, П.В. Новицкий. - Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1972.

Размещено на Allbest.ru